基于逸度原理的持久性有机污染物地气交换采样器的制作方法

本公开涉及大气污染物监测技术领域，尤其涉及一种基于逸度原理的持久性有机污染物地气交换采样器。

背景技术：

持久性有机污染物(pops)是具有半挥发性的全球迁移污染物，其受温度影响的挥发或沉降行为是全球迁移传输过程中的重要环节。因此，准确评估pops在大气-地表界面间的交换方向和通量是研究pops全球传输的关键环节。pops类污染物的大气含量一般为痕量级，以当前的分析测试能力，需要进行大体积采样富集才可保证检出目标化合物。这导致无法直接对pops的大气-地表通量进行直接的实时观测。

当前pops大气-地表交换的研究主要借助逸度方法完成：基于浓度和环境参数计算大气、土壤中pops的逸度，进而估算大气-地表交换方向和通量。为简化逸度公式的计算过程，在进行不同地点或不同时段的pops比较时，常使用土壤-大气分配系数(ksa)直接表征pops在土-气界面挥发或沉降趋势。一般认为，不同地点或时段相同化合物的ksa值越高，则其越倾向于向大气挥发；反之亦然。

逸度公式估算方法存在明显的系统缺陷：大体积采样器采样口的标准高度为1.5米，然而，近地表的污染物浓度往往存在较大的垂直梯度变化，土壤-大气界面上的气态污染物浓度可能比1.5米处高几倍甚至一个数量级。因此，使用普通大体积采样器采集的大气pops浓度进行逸度计算可能会引起较大的偏差。此外，大体积采样器的核心部件为大功率气泵，对电力要求较高，不适宜在偏远地区开展研究工作；且大体积采样会显著改变采样器周边气流，改变实际大气含量和地气交换状况。因此，针对当前不足，开发可用于地表大气pops采集的低功率采样器成为当务之急。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明提供了一种基于逸度原理的持久性有机污染物地气交换采样器，以至少解决上述的部分问题。

本公开提供了一种基于逸度原理的持久性有机污染物地气交换采样器，包括：采样腔1、底座2、空气泵3、流量计4、颗粒态污染物收集管5、气态污染物收集管6和电控模块；其中，所述底座2中部设有一个圆孔，所述采样腔1与所述圆孔连接；所述采样腔1、颗粒态污染物收集管5、气态污染物收集管6、空气泵3、流量计4依次通过橡胶管连接；所述电控模块与所述空气泵3、流量计4连接，用于给所述空气泵3、流量计4供电。

优选地，所述采样腔1为半球形，材质为不锈钢，圆形底部全开口。

优选地，所述圆孔和所述采样腔1的圆形底部的尺寸相同，半径均为250mm。

优选地，所述底座2为由九块尺寸相同的方形不锈钢板按照3×3的阵列组成，其中，中心位置的不锈钢板中心设有所述圆孔。

优选地，九块所述方形不锈钢板之间的衔接处通过封口膜或橡胶条密封。

优选地，所述底座2尺寸为1m×1m。

优选地，所述底座2还包括多个地脚10，高30mm。

优选地，空气泵3的流量为3-5lmin^-1。

优选地，所述电控模块包括开关7、稳压器8和可移动电源9。

优选地，所述颗粒态污染物收集管5内的过滤芯为玻璃纤维滤膜，气态污染物收集管6内的采样芯为聚氨酯泡沫、xad树脂或活性炭。

在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本公开提供的基于逸度原理的持久性有机污染物地气交换采样器较易拆装和携带，便于移动，且仅需电池供电，适合于在偏远地区进行短期采样；该采样器的采样口离地高度仅为30mm，可有效避免大气污染物垂直分布带来的采样误差，使获得的地气交换数据更接近于真实值。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了本公开实施例提供的一种基于逸度原理的持久性有机污染物地气交换采样器的示意图；

图2示意性示出了本公开实施例提供的一种基于逸度原理的持久性有机污染物地气交换采样器与大体积采样器采样获得的土壤-大气分配系数对比示意图；

图3示意性示出了本公开实施例提供的一种基于逸度原理的持久性有机污染物地气交换采样器获得的各采样点的逸度比率对比示意图；

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

参阅图1，本公开提供了一种基于逸度原理的持久性有机污染物地气交换采样器，包括：采样腔1、底座2、空气泵3、流量计4、颗粒态污染物收集管5、气态污染物收集管6和电控模块。

其中，底座2中部设有一个圆孔，采样腔1与圆孔连接；采样腔1、颗粒态污染物收集管5、气态污染物收集管6、空气泵3、流量计4依次通过橡胶管连接，颗粒态污染物收集管5用于过滤固态污染物，气态污染物收集管6用于采集气态pops等；电控模块与空气泵3、流量计4连接，用于给空气泵3、流量计4供电。采样腔1为半球形，材质为不锈钢，圆形底部全开口，采样腔1的空间主要用于空气的混合。圆孔和采样腔1的圆形底部的尺寸相同，半径均为250mm，采样腔1的底部与圆孔焊接在一起，可选地，还可使用螺丝、卡槽等机械结构配合密封条等连接在一起。底座2为由九块尺寸相同的方形不锈钢板按照3×3的阵列组成，其中，中心位置的不锈钢板中心设有圆孔。九块方形不锈钢板之间的衔接处通过封口膜或橡胶条密封。底座2尺寸为1m×1m。底座2还包括多个地脚10，长30mm。地脚10使底座2能够平放在地表上方30mm处，使不锈钢底座2与地表形成高30mm、面积1m²的空间。

优选地，空气泵3的流量为3-5l/min。因空气泵3流量较小，空气在不锈钢底座2和地表形成的空间中缓慢流动，理论上有充分时间与地表接触，达到pops的大气-地表平衡状态。

优选地，电控模块包括开关7、稳压器8和可移动电源9。其中，可移动电源9可以为电池组或小型移动充电电源。

优选地，所述颗粒态污染物收集管5内的过滤芯为玻璃纤维滤膜，气态污染物收集管6内的采样芯为聚氨酯泡沫、xad树脂或活性炭，根据实际应用情况可做调整。

本公开提供的基于逸度原理的持久性有机污染物地气交换采样器的设计要点是：要使近地表空气与土壤充分接触，从而保证pops在大气-土壤界面达到平衡；同时兼顾pops测试要求的最低采样量。为此，需要对流量、采样时间、不锈钢板离地高度(即界面平衡区域体积)等参数进行测试和优化，确定最佳采样条件。经测试，当底座2离地高度超过50mm时，采样易受到风等强烈气流的影响，无法有效控制流量，而当底座2离地高度低于10mm时，空气泵3运行时的气阻较大，流量波动明显。因此，折中选择30mm作为底座2的离地高度。在30mm离地高度条件下，3-5l/min的空气流量下获得的pops浓度最为稳定。同时考虑到分析测试的最低定量标准，最终确定该采样器的每次采样的运行条件为以3-5l/min流量连续采样4-6天。

在本公开其中一个实施例中，基于逸度原理的持久性有机污染物地气交换采样器的使用方法如下：首先，拼接好9块不锈钢板与半球形采样罩，将半球形采样罩用螺丝钉固定于中间的板上；然后，将玻璃纤维滤膜、聚氨酯泡沫(简称puf泡沫)分别装入金属管中，在采样前，puf泡沫需用二氯甲烷通过索氏提取法进行16小时的预清洗；依次用白色橡胶管连接采样罩、装有玻璃纤维滤膜的金属管、装有puf泡沫的金属管、空气泵3及流量计4，并检查连接处的气密性；最后，启动电源9，即开始采样，空气泵3的流量为3-5l/min，具体流量可根据实际情况调节。采样实施过程中，主要依赖puf泡沫(直径3cm，长7.5cm)作为吸附介质采集大气中的有机污染物。采样周期为4-6天，采样完成后，使用干净的锡箔纸包裹puf泡沫，放置于-20℃的环境中保存以待分析。

下面结合具体实施例是对本公开提供的一种基于逸度原理的持久性有机污染物地气交换采样器进行的进一步说明。

实施例一

在本实施例中，将基于逸度原理的地气交换采样器用于青藏高原不同地表条件下pops大气-地表交换研究。青藏高原环境介质中pops含量极低，且很多研究地点缺乏基础供电设施，是检验采样器在极端条件下运行的良好地点。

本实施例的三个试验地点均位于西藏自治区：(1)鲁朗：海拔3300m，地处藏东南，地表覆盖植被类型为森林；(2)纳木错：海拔4730m，地处青藏高原中部，地表覆盖植被类型为高寒草甸；(3)阿里：海拔4270m，地处青藏高原西部，地表为高寒荒漠。

在以上每个试验点，均选择相距100米以内的两个地块安装两台基于逸度原理的地气交换采样器，均以4lmin^-1的缓慢流速和5天的采样周期进行地表空气采样，每个样品获得约30m³的平均空气体积。每年进行两期(指夏天和冬天)样品采集以研究pops大气-土壤交换的季节性变化，每期20天。

本实施例将大体积采样器作为对照组，在鲁朗、纳木错、阿里三个地区分别安装大体积采样器以测得大气pops浓度，采样器距地表1.5m。大体积采样器使用玻璃纤维膜拦截大气颗粒物，使用puf泡沫采样柱芯(直径6cm×7.5cm)吸附气态有机污染物，每个样品采集约600m³空气。

本实施例还进行了土壤样品采集，在大气采样期间，在采样点周边采集表层5cm土壤样品，并充分混合。

本实施例的实验分析及实验结果如下。

由大体积采样器、地气交换采样器和土壤样品测定分别获得了大气pops浓度ca、地气界面气态pops浓度csa和土壤pops浓度cs，从而分别计算得到基于大气浓度和地气界面浓度的pops土壤-空气分配系数ksa和ksa-real。其中ksa、ksa-real的计算公式如下：

通常情况下，ksa可以用来表征pops在大气-土壤界面的分配状况，其通常与化合物的性质(即辛醇-空气分配系数koa)存在线性关系。从图2可以看出，基于大体积采样器获得的ksa值(ksa)比基于地气交换采样器获得的ksa值(ksa-real)高1-4个数量级。

基于浓度和环境参数计算大气、土壤中pops的逸度的计算公式为：

fa＝cart；(4)

其中，fs和fa分别表示pops在土壤和大气中的逸度(pa)，为干土壤中的有机质所占的比例，koa为pops的辛醇-空气分配系数，r为理想气体常数(8.31pam³·mol^-1·k^-1)，t为温度(k)。ff为逸度比率，当ff＞0.53时，表示污染物从土壤中净挥发；当ff＜-1.2时，表示污染物从大气向土壤沉降；ff在-1.2与0.53之间时，则认为pops在土壤-大气界面呈现平衡状态。

将实测csa值带入公式(4)替换ca值并计算ff值，可以发现：不论是在土壤有机质含量极高的森林地区(鲁朗)还是在荒漠地区(阿里)，均有部分样品的ff值大于0.53，即pops呈现土壤向大气挥发的状态(图3)，青藏高原土壤可能是pops的二次挥发源。这部分推翻了早期研究的“青藏高原土壤是pops的“汇””的结论。

总之，无论是针对ksa值还是ff值的比较，都表明本公开提供的基于逸度原理的地气交换采样器相比于大体积采样器部分改进了前期研究的不足，减小了使用大体积采样器带来的对大气浓度的低估和对大气向地表沉降趋势的高估。

本公开提供的基于逸度原理的持久性有机污染物地气交换采样器较易拆装和携带，便于移动，且仅需电池供电，适合于在偏远地区进行短期采样；该采样器的采样口离地高度仅为30mm，可有效避免大气污染物垂直分布带来的采样误差，使获得的地气交换数据更接近于真实值。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。